[发明专利]集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法

说明书

本发明提供一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及制备方法，该激光器包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的p‑n结量子阱器件与光波导，所述光波导一端与p‑n结量子阱器件相连，另一端集成有谐振光栅微腔结构。本发明实现的电泵浦硅衬底GaN基悬空波导激光器，可以通过调控微腔结构，实现波长可调的GaN基悬空波导激光器。本发明提出的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器可用于可见光通信、显示及传感领域。

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，涉及一种集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器及其制备方法。

背景技术

氮化物材料，特别是氮化镓材料，具有较高的折射率(～2.5)，在近红外和可见光波段透明，是一种性能优异的光学材料，应用前景广泛。生长在高阻硅衬底上的氮化物材料，利用深硅刻蚀技术，可以解决硅衬底和氮化物材料的剥离问题，实现悬空的氮化物薄膜；利用氮化物和空气之间的大的折射率差异，可以实现对光场有很强的限制作用的氮化物波导及微纳光子器件，为实现微型化、高密度的微纳光子器件提供了物理基础。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可以实现波长可调，厚度可调，降低了厚膜氮化物材料内部光损耗的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，同时提供一种该激光器的制备方法。

技术方案：本发明的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在所述硅衬底层上的外延缓冲层、设置在所述外延缓冲层上的n-GaN层、设置在所述n-GaN层上并连接在一起的p-n结量子阱器件和光波导；在所述n-GaN层上表面有刻蚀出的阶梯状台面，所述阶梯状台面包括下台面和位于下台面上的上台面，所述p-n结量子阱器件包括设置在上台面上的p-n结、设置在下台面上的n-电极、设置在p-n结上面的p-电极，所述p-n结包括从下至上依次连接设置的n-GaN层、InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层，所述p-电极设置在p-GaN层上，光波导设置在下台面上，一端与p-n结量子阱器件的n-GaN层连接，另一端刻蚀有谐振光栅；在所述n-GaN层下方设置有与悬空区域的位置正对且贯穿硅衬底层、外延缓冲层至n-GaN层底面的背后空腔，使得p-n结量子阱器件和光波导悬空，所述悬空区域包括光波导、p-电极的一部分和n-电极的一部分。

进一步的，本发明的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，n-电极包括n-电极导电区与所述n-电极导电区一端连接的n-电极引线区，所述p-电极包括悬空p-电极区、与所述悬空p-电极区连接的p-电极导电区、与所述p-电极导电区连接的p-电极引线区，所述悬空p-电极区与光波导相邻，并与n-电极导电区的另一端相对。

进一步的，本发明的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，悬空区域中，p-电极的一部分包括悬空p-电极区、p-电极导电区上与悬空p-电极区连接的一端，n-电极的一部分包括n-电极导电区上与悬空p-电极区相对的一端。

进一步的，本发明的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，所述光波导为完全悬空的矩形光波导。

进一步的，本发明的集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器中，要求可以改变谐振光栅微腔的结构参数或集成不同谐振光栅微腔，调控微腔，实现波长可调的硅衬底GaN激光器。

本发明的制备上述集成谐振光栅微腔的GaN基悬空波导激光器的方法，包括如下步骤：

(1)在硅基氮化物晶片背后对硅衬底层进行减薄抛光；

(2)在硅基氮化物晶片上表面均匀涂上一层光刻胶，采用光刻对准技术在光刻胶层上定义出n-GaN台阶区域，所述n-GaN台阶区域包括下台面和上台面；

(3)采用反应离子束刻蚀n-GaN台阶区域；去除残余光刻胶，得到阶梯状台面、位于上台面的p-n结量子阱器件的InGaN/GaN量子阱层和p-GaN层；